ABB低壓電氣控制在制冷壓縮機中的應用及發(fā)展趨勢

簡介
      制冷壓縮機是用來提高氣體壓力和輸送氣體的機械，屬于將原動機的動力能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w壓力能的工作機。壓縮機是制冷行業(yè)的核心，保障壓縮機的正常使用和安全十分重要，而電機燒毀又是危害壓縮機安全的最為常見故障。導致電機燒毀的原因很多，而燒毀后又難以找出導致燒毀的直接原因，這給事故后期的分析與判定帶來很大的困難。本文介紹了壓縮機用接觸器以及繼電線路保護裝置在制冷行業(yè)的應用，并揭示了接觸器、供電線路、操作環(huán)境與電機燒毀之間的聯(lián)系，并對低壓電氣控制在制冷壓縮機的發(fā)展趨勢提出了自己的期望。
關(guān)鍵字：ABB接觸器 ABB供電保護 ABB
      制冷壓縮機（以下簡稱壓縮機）的故障可以分為機械故障(包括曲軸，連桿，活塞，閥片，缸蓋墊等) 和電機故障。機械故障往往使電機超負荷運轉(zhuǎn)甚至堵轉(zhuǎn)，是電機損壞的主要原因之一。 電機故障主要表現(xiàn)為定子繞組絕緣層破壞（短路）和斷路等。定子繞組損壞后很難及時被發(fā)現(xiàn)，最終可能導致電機燒毀。電機燒毀后，難以找出導致燒毀的直接原因，這給事故后期的分析與判定帶來了很大的困難。
      然而，電機的正常運轉(zhuǎn)離不開穩(wěn)定的供電線路，合理的電機負荷，良好的散熱和電機繞組漆包線絕緣層的保護。根據(jù)這幾方面進行分析，可以歸納出電機燒毀的如下六種原因：
      (1) 異常負荷和堵轉(zhuǎn)；
      (2) 金屬屑引起的電機繞組短路；
      (3) 壓縮機用接觸器問題；
      (4) 電源缺相和電壓異常；
      (5) 電機冷卻不足；
      (6) 用壓縮機抽真空。
實際上，電機損壞往往是多種因素共同作用的結(jié)果。
以下我們著重談談接觸器以及供電保護裝置在制冷壓縮機中的應用。
1．接觸器
      在大型制冷工程中，壓縮機功率較大，并會根據(jù)系統(tǒng)要求選擇多臺壓縮機并聯(lián)的方式。根據(jù)現(xiàn)場工況的不同，壓縮機會出現(xiàn)持續(xù)滿載運行、低負荷運行、交替運行等各種情況，特別是像醫(yī)療血液儲藏庫和冷藏食品加工及貯藏企業(yè)，會有大量的血液或食品需要加工和冷藏，一旦由于接觸器故障造成壓縮機停機，冷藏間的低溫環(huán)境將難以保持，并且會快速升高，凍品會因為溫度升高而腐敗變質(zhì)，這將會給用戶帶來巨大的損失。所以選擇合理并且性能可靠的接觸器對于壓縮機的使用和安全至關(guān)重要。
      如果接觸器選型偏小，觸頭不能承受電弧和由于頻繁開停循環(huán)或不穩(wěn)定控制回路電壓產(chǎn)生的高溫，可能焊合或從觸頭架中脫落。焊合的觸頭將產(chǎn)生永久性單相狀態(tài)，使過載保護器持續(xù)地循環(huán)接通和斷開。 需要特別強調(diào)的是，接觸器觸點焊合后，依賴接觸器斷開壓縮機電源回路的所有控制（比如高低壓控制，油壓控制，融霜控制等）將全部失效，壓縮機處于無保護狀態(tài)。
      觸點抖動的接觸器頻繁地啟停電機。電機頻繁啟動，巨大的啟動電流和發(fā)熱,會加劇繞組絕緣層的老化。每次啟動時，磁性力矩使電機繞組有微小的移動和相互摩擦。如果有其它因素配合（如金屬屑，絕緣性差的潤滑油等），很容易引起繞組間短路。熱保護系統(tǒng)并未設計成能防止這種毀壞。此外，抖動的接觸器線圈容易失效。如果有接觸線圈損壞，容易出現(xiàn)缺相狀態(tài)。
因此壓縮機用接觸器必須滿足以下幾個方面的性能要求：
      （1）快速循環(huán)。
      （2）持續(xù)超載和低電壓。
      （3）必須有足夠大的面積以散發(fā)負載電流所產(chǎn)生的熱量。
      （4）觸點材料必須能在啟動或堵轉(zhuǎn)等大電流情況下防止焊合。
      （5）具有良好的分段能力，壓縮機接觸器要能同時斷開三相電路。
      （6）具有很好的人身安全防護能力，并且便于檢查和更換接觸器線圈。
在美國，谷輪公司認可的接觸器必須滿足如下四項：
      * 接觸器必須滿足ARI標準780-78“專用接觸器標準”規(guī)定的工作和測試準則。
      * 制造商必須保證接觸器在室溫下，在最低銘牌電壓的80％時能閉合。
      * 當使用單個接觸器時，接觸器額定電流必須大于電機銘牌電流額定值(RLA).同時，接觸器必須能承受電機堵轉(zhuǎn)電流。如果接觸器下游還有其它負載，比如電機風扇等，也必須考慮。
      * 當使用兩個接觸器時，每個接觸器的分繞組堵轉(zhuǎn)額定值必須等于或大于壓縮機半繞組堵轉(zhuǎn)額定值。
在某些特殊情況下，即使選擇了合適的接觸器，也避免不了接觸器損壞情況的發(fā)生。一旦接觸器出現(xiàn)故障，使得壓縮機不能正常啟動，就需要在短時間內(nèi)對接觸器進行快速的維修或更換。針對這一問題，我們選擇了ABB公司生產(chǎn)的A系列交流接觸器。
接觸器結(jié)構(gòu)剖析圖如下：

      這款接觸器不僅能夠滿足壓縮機啟動和運行中的各種復雜情況，并因此接觸器的特殊結(jié)構(gòu)，使得當故障發(fā)生時，不必移去電纜，將接觸器整體拆除，只需將接觸器前面板取下，就可使接觸器的主要動作部分與底座分離，這樣既便于快速更換線圈又可防止因意外接通電造成維修人員人身傷害及設備毀壞事故。

2．供電保護

      由于制冷壓縮機具有高噪聲的特點，所以絕大多數(shù)制冷企業(yè)都建在距離市區(qū)較遠的郊區(qū)，工廠所在地的電網(wǎng)供電質(zhì)量較差，極易出現(xiàn)電壓不正常和缺相等情況。當發(fā)生三相間電壓不平衡或缺相時極易燒毀壓縮機電機。電源電壓變化范圍不能超過額定電壓的±10%。三相間的電壓不平衡不能超過5%。如果發(fā)生缺相的同時壓縮機正在運轉(zhuǎn)，它將繼續(xù)運行但會有大的負載電流。電機繞組會很快過熱，正常情況下壓縮機會被熱保護。當電機繞組冷卻至設定溫度，接觸器會閉合，但壓縮機啟動不起來，出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)，并進入“堵轉(zhuǎn)－熱保護－堵轉(zhuǎn)”死循環(huán)。在個別嚴重的情況下,熱繼電還來不及做出保護，就已經(jīng)燒毀壓縮機電機了。
      電壓不平衡百分數(shù)計算方法為,相電壓與三相電壓平均值的最大偏差值與三相電壓平均值比值.例如，標稱380V三相電源，在壓縮機接線端測量的電壓分別為380V，366V，400V，可以計算出三相電壓平均值382V，最大偏差為20V，所以電壓不平衡百分數(shù)為5.2%。 作為電壓不平衡的結(jié)果，在正常運行時，負載電流的不平衡幾率是電壓不平衡幾率的4－10倍。美國國家電氣制造商協(xié)會(NEMA)電動機和發(fā)電機標準出版物指出，由不平衡電壓造成的相繞組溫升百分比大約是電壓不平衡百分點數(shù)平方的兩倍。所以對于三相供電線路的監(jiān)測就顯得尤為重要。一份由U.L.(保險商實驗室，美國)完成的調(diào)查顯示，43％的電力公司允許3％的電壓不平衡，另有30％的電力公司允許5％的電壓不平衡。
      制冷壓縮機一般價格昂貴,并且會因其燒毀而帶來更大的經(jīng)濟損失，所以一定要對壓縮機的三相供電線路進行檢測。
      通過多年來對各種低壓保護產(chǎn)品的使用，我們一致認為ABB公司生產(chǎn)的CM系列三相多功能監(jiān)視繼電器CM-MPS具有很高的可靠性。通過可以監(jiān)測三相供電線路和系統(tǒng)線路中的相序、缺相、過欠壓、相不平衡等參數(shù)，并可在故障發(fā)生時發(fā)出報警信號，使控制系統(tǒng)能夠在機器設備遭到更大損壞之前予以適當?shù)奶幚?，從而使機器設備和系統(tǒng)獲得最大程度的保護，提高機器、設備和系統(tǒng)的有效性，減少由于三相系統(tǒng)故障而引起的維護費用及維護時間。
三相監(jiān)視功能曲線如下：
 

      如果所有相完整、電壓正確且相序正確，輸出繼電器動作。如果出現(xiàn)過/欠壓（300-500V AC可調(diào)）、相不平衡（閥值2－15％可調(diào)）、缺相或相序不正確，則輸出繼電器復位且黃色LED熄滅。電壓回復到設定范圍（加上固定遲滯5%）繼電器自動再次復位。
      我們再來談談壓縮機所處工作環(huán)境對壓縮機控制柜內(nèi)低壓原件的影響。
（1）冷庫冷間低溫潮濕
      在食品冷藏加工企業(yè)，由于操作現(xiàn)場的要求，部分凍結(jié)庫體與制冷機組連接在一起的設備（如一體化平板速凍機）需要放置于潮濕的冷庫冷間內(nèi)。冷庫冷間與一般的潮濕環(huán)境不同，如溫度高于0℃的食品加工間，會因為環(huán)境衛(wèi)生的要求而在室內(nèi)噴淋大量帶有弱腐蝕性的消毒液體，使得加工間內(nèi)部濕度極大，一般均在90%以上。如此大的環(huán)境濕度會在控制柜表面形成凝水，并且凝水中還含有一定量的化學成分。長期的高濕度以及弱腐蝕性凝水的存在，會使水汽漸漸滲透電控箱，并腐蝕低壓電氣元件的金屬部分以及內(nèi)部電子元件，造成電氣元件的性能降低甚至損壞。如果控制壓縮機的電氣元件受損，則會直接影響壓縮機的正常運行，大大提升電機燒毀的幾率。雖然可以由于通過各種手段防止電控箱透水情況的發(fā)生，但面對冷庫冷間如此惡劣的操作環(huán)境，就要求柜內(nèi)低壓電氣設備具有良好的抗低溫、抗潮濕、抗腐蝕的特性。
（2）弱腐蝕性氨氣的存在
      氨氣屬弱腐蝕性氣體，比空氣輕，當環(huán)境中相對濕度較高時對電氣設備有明顯的腐蝕。氨氣的爆炸極限為15.5%~27%。根據(jù)《爆炸和火災危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)范》GB50058－92中的第2.2.1條，氨機房的爆炸性氣體環(huán)境危險區(qū)域被劃分為2區(qū)，另根據(jù)《建筑設計防火規(guī)范》GBJ16-87中的第3.1.1條，氨機房的火災危險性分類為乙類。氨機房內(nèi)必須就地安裝的電氣設備，如照明燈具、液位計、壓力表、斷水繼電器和氨機緊急停車按鈕，在正常運行中決不允許產(chǎn)生火花，并且防腐防爆。
低壓電氣在制冷行業(yè)未來的發(fā)展方向：
      隨著科技的發(fā)展,工業(yè)自動化生產(chǎn)的水平也日益提高.人們現(xiàn)在也更多感受到科技進步給生活,工作帶來的便利與快捷.同時也帶來了麻煩。制冷行業(yè)作為機械制造的一部分,也隨著制造業(yè)的發(fā)展而不斷取得進步和創(chuàng)新。傳統(tǒng)制冷理念也得到改進和提高.就制冷行業(yè)今后發(fā)展而言,制冷設備正朝著安全，實用,節(jié)能,環(huán)保,自動化的方向發(fā)展，但由于制冷行業(yè)的特殊性，就對配套使用的低壓電氣元件提出了更高的要求?？偟膩碚f，應用于制冷行業(yè)的低壓電氣的發(fā)展方向如下：
      (1)實現(xiàn)低壓電氣產(chǎn)品的智能化，進一步改進產(chǎn)品的保護性能，擴大功能，不僅能準確監(jiān)測和顯示配電線路的運行情況，還能準確地切除過載、短路等各種故障；還能按運行人員的設置要求進行各種操作；與此同時，還能對電器本身進行監(jiān)測和對故障自診斷及故障狀況的顯示。
      (2)變頻調(diào)速裝置以及軟啟動的使用,使得制冷設備更加節(jié)能,并可減少大功率制冷設備啟動電流對電網(wǎng)的沖擊。
      (3)具有通信功能和現(xiàn)場總線控制功能，使整個制冷工程中的各個環(huán)節(jié)都能夠得到控制，并且互通信息，實現(xiàn)網(wǎng)絡化。
      (4)提高分斷能力和限流性能。